董恩春 馮兆緣 馬開(kāi)學(xué)

（1.新世紀(jì)船舶設(shè)計(jì)研發(fā)（上海）有限公司 上海 200127）（2.江蘇科技大學(xué) 鎮(zhèn)江 212001）（3.金海智造股份有限公司 上海 200122）

1 引言

現(xiàn)代船舶一直使用壓載水系統(tǒng)來(lái)保證船舶平衡穩(wěn)定和航行中的安全。根據(jù)船舶航行的要求，對(duì)全船各壓載艙注入或向船體舷外排出壓載水，以達(dá)到調(diào)整船舶的吃水和船體縱、橫兩方向的平穩(wěn)以及安全的穩(wěn)心高度；減小船體形變；改善空艙適航性的目的［1～3］。大多數(shù)船舶都采用艏尖艙、艉尖艙、雙層底艙、邊艙、頂邊艙作為壓載水艙，調(diào)節(jié)艏尖艙、艉尖艙的壓載水量，可有效調(diào)節(jié)船舶的縱向傾斜；調(diào)節(jié)邊艙的壓載水量，可有效調(diào)整船舶的橫向平衡［4～6］。華東船舶工業(yè)學(xué)院的張?chǎng)?、姚壽廣教授建立了船舶壓載水系統(tǒng)的仿真模型，該仿真模型包括壓載水管路、壓載水泵、浮態(tài)計(jì)算的數(shù)學(xué)模型等［7］。江蘇科技大學(xué)肖民教授以Minis通用仿真支撐系統(tǒng)和InTouch組態(tài)軟件為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了船舶壓載水模擬訓(xùn)練系統(tǒng)；該系統(tǒng)模擬出壓載水的動(dòng)態(tài)工作過(guò)程，通過(guò)壓載水模糊配載邏輯來(lái)模擬實(shí)船的穩(wěn)性的調(diào)節(jié)的要求［8］。因此，開(kāi)發(fā)一套基于實(shí)船的壓載水仿真模擬系統(tǒng)，不僅能夠有效地幫助操作人員熟悉工作流程和技能，還具有分析、預(yù)演壓載方案的價(jià)值。同時(shí)無(wú)人化作為現(xiàn)代船舶的發(fā)展方向，對(duì)船舶進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控是船舶無(wú)人化發(fā)展中的重要部分。筆者根據(jù)船舶的靜水力曲線(xiàn)和艙容數(shù)據(jù)建立船舶本身數(shù)學(xué)模型，以便計(jì)算調(diào)用；再分別建立船舶橫縱傾角的計(jì)算模型，并依據(jù)船舶的平穩(wěn)運(yùn)行的要求在Simulink軟件中建立整船的壓載水仿真系統(tǒng)；最后利用WebAccess組態(tài)監(jiān)控軟件建立相應(yīng)的監(jiān)控界面，并建立完整的數(shù)據(jù)通信通道以實(shí)現(xiàn)通過(guò)IP地址進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 壓載水仿真與監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

壓載水仿真與監(jiān)控系統(tǒng)由仿真、數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控三個(gè)部分組成。如圖1所示。

仿真系統(tǒng)依據(jù)實(shí)際船舶壓載水系統(tǒng)建立系統(tǒng)中各子系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和Simulink仿真模型，并將各子系統(tǒng)仿真模型按照整個(gè)壓載水系統(tǒng)的控制邏輯進(jìn)行組合，建立壓載水仿真系統(tǒng)。

監(jiān)控組態(tài)軟件WebAccess可以接受與發(fā)送DSN數(shù)據(jù)源，利用Microsoft Office中的Access數(shù)據(jù)庫(kù)軟件作為Simulink與WebAccess通信的通道，可實(shí)現(xiàn)仿真系統(tǒng)與監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸［9］。

3 壓載水仿真系統(tǒng)的建立

3.1 艙室子系統(tǒng)模型

實(shí)船的6個(gè)液貨艙位于船舶中部；23個(gè)壓載水艙位于船艏、船艉和左右兩側(cè)邊艙，其分布可由1層下甲板示意圖直觀看出，如圖2所示。

根據(jù)各艙室的艙容參數(shù)建立各艙室數(shù)據(jù)子系統(tǒng)模塊，將各個(gè)艙的液位作為監(jiān)控參數(shù)，將各艙重心位置數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)利用Simulink中的查表編輯器（Look up table）模塊導(dǎo)入仿真系統(tǒng)。

3.2 船舶穩(wěn)性計(jì)算模型

船舶裝載量的變化將引起船舶重心、吃水以及自由液面的變化，進(jìn)而影響船舶的浮態(tài)和初穩(wěn)性。利用小傾角公式建立船舶穩(wěn)性計(jì)算模型可計(jì)算出船舶橫縱傾角，其模型如下所示。

式中：GM1、GML1分別表示船舶裝卸貨后的橫、縱穩(wěn)性高，GM、GML分別表示船舶原來(lái)的橫、縱穩(wěn)性高，φ表示船舶橫傾角（φ＞0代表左傾，φ＜0代表右傾），θ表示船舶縱傾角（θ＞0代表艏傾，θ＜0代表艉傾），d表示船舶原來(lái)的平均吃水，d1表示裝卸載荷后的船舶平均吃水，ζd表示船舶平均吃水增量，d1表示裝卸貨物后的船舶吃水，P表示裝卸的載荷重量（P＞0代表裝貨，P＜0代表卸貨），Δ表示裝卸載荷前的船舶排水量，ω1表示艙室內(nèi)液體的密度，ix、iy分別表示自由液面面積橫、縱向慣性矩，x、y、z分別表示裝卸載荷P的重心位置縱向、橫向、垂向坐標(biāo)，xF表示漂心縱向坐標(biāo)［10］。根據(jù)穩(wěn)性參數(shù)，通過(guò)建立計(jì)算船舶傾角的子系統(tǒng)模塊來(lái)控制船舶穩(wěn)性。圖3為計(jì)算和監(jiān)測(cè)船舶裝卸造成的船舶橫縱傾的系統(tǒng)圖。

為保證船舶穩(wěn)性，其調(diào)整系統(tǒng)建模過(guò)程中，將各個(gè)壓載艙的模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真調(diào)整子系統(tǒng)，同時(shí)將壓載泵的實(shí)驗(yàn)擬合數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真調(diào)整子系統(tǒng)，如圖4所示為利用Simulink軟件建立的船舶傾角調(diào)整子系統(tǒng)。

4 數(shù)據(jù)傳輸與監(jiān)控系統(tǒng)建立

4.1 數(shù)據(jù)傳輸通道的建立

組態(tài)監(jiān)控軟件WebAccess可以接受與發(fā)送DSN數(shù)據(jù)源，而Simulink工具不可發(fā)送和接收DSN數(shù)據(jù)源。Microsoft Office中的Access軟件，可以通過(guò)開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序與Simulink仿真工具進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互，也可與WebAccess組態(tài)軟件通過(guò)DSN數(shù)據(jù)源進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。所以選擇通過(guò)Microsoft Office中的Access軟件建立監(jiān)控軟件和仿真軟件的實(shí)時(shí)通信［11］。通信方式如圖5所示。

Simulink中的工業(yè)控制模塊Real Time Windows Target中的Stream Input輸入模塊/Stream Output輸出模塊具備利用UDP通訊協(xié)議傳輸與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的功能，為Simulink的后臺(tái)運(yùn)算提供控制指令［11］。因此Simulink與 Access數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)傳輸方式如圖6所示。

Simulink仿真系統(tǒng)中六個(gè)液貨艙作為監(jiān)控輸入數(shù)據(jù)與Stream input輸入模塊鏈接，其他監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)作為監(jiān)控輸出與Stream input輸出模塊鏈接。完成連接后的Simulink系統(tǒng)圖如圖7所示。

打開(kāi)Windows系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)源（ODBC），選擇Office Access作為驅(qū)動(dòng)程序，Simulink模型中的數(shù)據(jù)可通過(guò)在Access軟件中建立的mdb格式數(shù)據(jù)庫(kù)導(dǎo)入；WebAccess組態(tài)軟件可通過(guò)DSN數(shù)據(jù)源訪(fǎng)問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)［12］。

4.2 監(jiān)控系統(tǒng)建立

如圖8所示，為利用WebAccess建立的壓載水仿真監(jiān)控界面，顯示所有液貨艙、壓載水艙的液位數(shù)據(jù)和各壓載泵、駁運(yùn)泵、電控閥的開(kāi)關(guān)，所有數(shù)據(jù)均通過(guò)IP地址訪(fǎng)問(wèn)Access數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)并經(jīng)過(guò)處理得到。

5 典型極限工況的仿真與穩(wěn)性調(diào)節(jié)

本船舶于港口及石油平臺(tái)時(shí)吃水要求為2.0m以上，橫傾角允許變化范圍是［-0.8°，0.8°］，縱傾角的允許變化范圍是［-0.6°，0.6°］。

以船舶的典型極限工況為例，進(jìn)行典型工況下的壓載水系統(tǒng)與船舶穩(wěn)性調(diào)節(jié)仿真，圖9即為此典型極限工況下，經(jīng)過(guò)壓載水系統(tǒng)調(diào)節(jié)后的各壓載艙的液位情況。此工況下，船舶左側(cè)的3個(gè)液貨艙處于滿(mǎn)艙狀態(tài)，壓載水仿真與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)得到船舶橫傾角發(fā)生變化，大于允許范圍時(shí)，壓載水系統(tǒng)開(kāi)始工作，圖9為船舶橫傾角隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某型油服工作為母船，通過(guò)WebAccess組態(tài)監(jiān)控軟件建立整船的壓載水仿真監(jiān)控系統(tǒng)，其中通過(guò)監(jiān)控船舶傾角的變化利用Simulink軟件建立了壓載水仿真系統(tǒng)模型；以O(shè)ffice Access數(shù)據(jù)庫(kù)為中介建立了完整的數(shù)據(jù)通道，實(shí)現(xiàn)了通過(guò)IP地址進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和訪(fǎng)問(wèn)的功能，為無(wú)人化船舶的數(shù)據(jù)監(jiān)控提供了數(shù)據(jù)通道的開(kāi)發(fā)方式，也可用于輪機(jī)人員的壓載水系統(tǒng)操作和管理訓(xùn)練。